Нитрогеназы — одни из самых важных в геохимическом отношении ферментов на Земле, обеспечивающие все формы жизни биодоступным азотом в виде аммиака (NH3). Некоторые нитрогеназы также могут напрямую преобразовывать CO2 в углеводородные цепи, что делает их интересной целью для разработки биотехнологических процессов.
Группа исследователей из Марбурга (Германия) под руководством ученого Йоханнеса Ребеляйна (Johannes Rebelein) получила полное представление о субстратной специфичности и «предпочтениях» нитрогеназы. Полученные результаты ставят под сомнение текущее понимание нитрогеназ и подчеркивают их потенциал для устойчивого биопроизводства. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Азот — один из основных строительных блоков наших клеток. Однако большая часть азота на Земле встречается в виде газообразного N2 и химически непригодна для клеток. Только один вид ферментов способен превращать N2 в биодоступную форму аммиака (NH3): нитрогеназы.
Исследователи обнаружили, что некоторые нитрогеназы могут работать и с другим важным субстратом: они превращают парниковый газ CO2 в углеводороды (метан, этилен, этан) и муравьиную кислоту. Все эти продукты являются потенциальными источниками энергии и промышленно важными химическими веществами. Чтобы обеспечить устойчивое биопроизводство без выбросов углекислого газа, команда хотела узнать, насколько хорошо ферменты различают CO2 и N2? И снижают ли микроорганизмы, растущие на N2, уровень CO2 в нормальных физиологических условиях?
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи сосредоточились на фотосинтезирующей бактерии Rhodobacter capsulatus, которая содержит два изофермента: молибденовую (Mo) нитрогеназу и железную (Fe) нитрогеназу, которая необходима бактерии в качестве резерва на случай дефицита молибдена. Учёные выделили обе нитрогеназы и сравнили их способность к восстановлению CO2 с помощью биохимических тестов. Было обнаружено, что Fe-нитрогеназа в 3 раза эффективнее восстанавливает CO2, чем ее молибденсодержащий аналог, и производит муравьиную кислоту и метан при атмосферных концентрациях CO2.
Когда ферментам одновременно предложили CO2 и N2, стало очевидным еще одно важное различие: в то время как Мо-нитрогеназа избирательно восстанавливает N2, Fe-нитрогеназа склонна выбирать CO2 в качестве субстрата. «Обычно более высокая скорость реакции в ферментах достигается за счет точности. Интересно, что Mo-нитрогеназа одновременно и быстрее, и более селективна, что показывает ее преимущество в восстановлении N2. Более низкая специфичность Fe-нитрогеназы и ее предпочтение CO2 делают ее перспективной отправной точкой для разработки новых CO2-редуктаз», — говорит Фредерик Шмидт, соавтор исследования.
Низкая селективность была не единственным сюрпризом. «Мы проанализировали, какая доля электронов попадает в тот или иной продукт, и обнаружили, что метан и муравьиная кислота в высоких концентрациях, полученные в результате преобразования CO2 нитрогеназой Fe, выделялись бактериями даже при отсутствии дополнительного CO2 в культуре: метаболически полученного CO2 было достаточно для запуска этого процесса.
«Данный вывод позволяет предположить, что катализируемое нитрогеназой Fe восстановление CO2 действительно может быть широко распространено в природе», — говорит Нильс Ольманн, соавтор исследования.
Работа ставит под сомнение традиционный взгляд на нитрогеназы как на ферменты, преобразующие азот. Фотосинтезирующие бактерии, такие как R. capsulatus, которые используют световую энергию для стимулирования нитрогеназ к преобразованию парникового газа CO2, могут играть ключевую роль не только в воздействии на окружающую среду, но и в переходе общества к устойчивой экономике. «Идея заключается в том, что мы можем аккумулировать энергию солнечного света, улавливаемую фотосинтетическим аппаратом микроорганизма, в углеводородах, производимых нитрогеназой. В будущем мы хотим продолжить разработку нитрогеназы Fe, чтобы использовать ее для фиксации и утилизации CO2», — заключили специалисты.
[Фото: ru.123rf.com]